第1、2章混凝土结构设计原理

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1、混凝土结构设计原理,混凝土结构上册 第五版,第1章 绪论,1.混凝土结构 以混凝土为主要材料构成的结构 包括： 素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构,一、混凝土结构的概念和特点,1.混凝土结构 素混凝土结构：无筋或不配置受力钢筋的混凝土结构 基础、砌块、重力堤坝、路面、机场跑道 钢筋混凝土结构：配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架 预应力混凝土结构：配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构,一、混凝土结构的概念和特点,素混凝土梁承载力小，破坏突然 属脆性破坏,钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预兆 属延性破坏,2. 配筋的作用与要求,一、混凝土结构的概念和

2、特点,在混凝土中配置适量的受力钢筋，并使得混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，就能起到充分利用材料，提高结构承载能力和变形能力的作用,2. 配筋的作用与要求,一、混凝土结构的概念和特点 混凝土和钢筋共同工作的原因,混凝土硬化后和钢筋粘结在一起，相互传递内力，二者之间有良好的工作性能，在荷载作用下可共同受力，共同变形,两者的温度线膨胀系数很接近，当温度变化时避免产生较大的相对变形而破坏两者的粘结力， 混凝土：1.010-51.5 10-5/，钢筋： 1.2 10-5 /,混凝土包裹着钢筋，可以保护钢筋免遭锈蚀,一、混凝土结构的概念和特点 3.混凝土结构的优缺点,优点： 取材容易 合理用材 耐久

3、性好 耐火性好 整体性好 可模性好,缺点： 自重大 抗裂性差 施工复杂、工序多、工期长、 施工受季节天气的影响较大 混凝土一旦破坏，修复、加固、补强比较困难 隔热隔声性能差,随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服,结构设计的 一般原则和方法,结构设计计算方法发展过程：,1.容许应力法： 以弹性理论为基础，但未考虑材料的塑性。 2.破坏阶段法： 考虑了材料的塑性，但仅仅用一个笼统的安全系数考虑超载，材料的变异等。 3.极限状态法： 用分项系数把不同的荷载、不同材料及不同构件的受力性质等用不同的安全系数区别开来。 按精确程度不同分为三个水准，半经验半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法。,结构的

4、功能要求, 安全性+适用性+耐久性可靠性,结构的可靠性 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力,设计使用年限,正常设计、正常施工、正常使用和维护,结构的可靠度 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。,1 结构的功能要求： 安全性 Safety 结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受正常施工、正常使用情况下可能出现的各种作用（荷载、外加变形（如支座不均匀沉降）、约束变形（温度和收缩变形受到约束） 在偶然事件（如地震、爆炸、冲击）发生时及发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失,1 结构的功能要求,适用性 Servi

5、ceability 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。例如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度 耐久性 Durability 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即结构不发生严重劣化、腐蚀、脱落、碳化、钢筋不发生锈蚀等，达到设计预期的使用年限,结构的极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。 我国将建筑结构的极限状态分为： 承载能力极限状态（ultimate limit state） 正常使用极限状态(serviceability

6、limit state),结构的极限状态,承载能力极限状态：指结构或构件达到最大承载力或出现不适于继续承载的变形的状态。它是结构安全性功能极限状态。 包括下列之一： （1）结构或结构的一部分作为刚体失去平衡； （2）结构、结构构件或其连接因超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不能继续承载； （3）结构转变为机动体系； （4）结构或结构构件丧失稳定； （5）地基丧失承载能力而破坏,超过承载能力极限状态后，结构或构件不能满足安全性,正常使用极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如过大的裂缝

7、宽度） 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态（相对沉降量过大）。,超过正常使用极限状态后，结构或构件不能满足适用性和耐久性的要求,建筑结构荷载,作用：使结构产生内力或变形的原因 直接作用（荷载） 间接作用：地震、温度变化、混凝土收缩等 作用效应（S） 也叫荷载效应，指作用使结构产生的内力（例如，弯矩、剪力、轴力、扭矩等）、变形（挠度、转角）和裂缝。,结构上的直接作用（荷载）,永久荷载（恒荷载）： 荷载值不随时间变化的荷载。如：结构自重、土压力、预应力 可变荷载： 荷载值随时间变化的荷载。如：楼面活荷载、风荷载、雪荷载 偶然荷载： 在设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时

8、间很短的荷载，如爆炸、撞击,1 荷载代表值 永久荷载（恒载）代表值：标准值，为结构设计尺寸和材料的自重的乘积。 可变荷载代表值：标准值、频遇值、准永久值、组合值。 标准值：基本代表值 频遇值标准值频遇值系数(11) 准永久值标准值准永久值系数(21) 荷载的组合值荷载标准值组合值系数,材料和荷载的取值,在进行正常使用极限状态设计时选用标准值, 荷载设计值,（）荷载的分项系数 永久荷载分项系数: 1.2 1.35 可变荷载分项系数: 1.4,（）荷载设计值荷载标准值乘以荷载分项系数,进行承载能力极限状态设计时选用设计值,（3）荷载的设计值 荷载的标准值,3 材料强度的标准值 钢筋抗拉强度标准值

9、97.73% 混凝土抗压强度标准值 95%,4 材料强度设计值（承载能力极限状态设计时用,混凝土抗压强度设计值,钢筋抗拉强度设计值,混凝土材料分项系数，1.4,钢筋材料分项系数，1.11.2,材料强度的设计值 材料强度的标准值,承载能力极限状态设计表达式,基本表达式,结构重要性系数,结构抗力的设计值,荷载效应组合的设计值,荷载分项系数（1）,荷载效应的标准值,抗力分项系数（1）,抗力的标准值,承载能力极限状态设计表达式,结构重要性系数：按安全等级或设计使用年限确定,对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件不应小于1.1 对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1

10、.0 对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件不应小于0.9 在抗震设计中取1.0,承载能力极限状态设计表达式-荷载效应组合S,作用效应有基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合、准永久组合 按承载能力极限状态设计时，一般考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。 荷载有永久荷载和可变荷载，可变荷载不止一个，多个可变荷载也不一定会同时发生，为此，考虑到两个或两个以上可变荷载同时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。 建筑结构荷载规范规定：对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的两组组合中取最不利值确定。,正常使

11、用极限状态设计表达式,C结构构件达到正常使用要求的规定限制。,按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和裂缝宽度。因其危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以适当降低对可靠度的要求，取荷载标准值 根据不同的设计要求，采用标准组合、频遇组合和准永久组合,sk正常使用情况下荷载效应组合值,第二章 钢筋和混凝土材料力学性能,混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度 立方体试件的强度比较稳定，因此把立方体抗压强度作为混凝土强度的基本指标 (1)混凝土的立方体抗压强度 fcu,k,边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速

12、度0.30.5N/mm2/s(混凝土强度等级C60);两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度,1. 单轴应力状态下混凝土的强度,2.1混凝土的物理力学性能,混凝土的强度等级是用立方体抗压强度标准值来划分的,立方体抗压强度标准值（fcu,k）是评定混凝土强度等级的指标， 规范根据强度范围，从C15-C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。 C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80（C50以上为高强混凝土）,混凝土Concrete,立方体抗压强度标准值,立方体抗压强度只有标准值，没有设计值,立方体抗压强度的影

13、响因素,我国规范规定的标准试验方法：不涂润滑剂,影响因素：试验方法、龄期、加载速度、试块尺寸等,（1）试验方法的影响,标准试块：150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,（4）试件尺寸的影响（尺寸效应）,（2）加载速度的影响,（3）龄期的影响,加载速度越快，强度越高,龄期增长，强度越高,（2)棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）fck,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度 大于棱柱体抗压强度，且

14、有：fck=0.76fcu,k (试验结果) 考虑到构件和试件的区别，取fck=0.67fcu,k,国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=（0.790.81）fcu,k,圆柱体抗压强度,考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：,式中： k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值

15、。0.88为考虑实际结构的砼强度与试件砼强度之间的差异而取用的折减系数。,fcu,k立方体抗压强度标准值即为混凝土强度等级 C30表示fcu,k=30N/mm2,2. 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,轴心抗拉强度ftk,2.1混凝土的物理力学性能,试验结果：ftk=0.26fcu,k2/3 考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取 ftk=0.23fcu,k2/3,轴心受拉试验,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：,混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系,劈拉强度fts,根据试验结果回归分析劈拉强度平均值与抗

16、压强度平均值之间的关系： fts=0.19fcu,k 3/4,劈裂试验,3. 复合应力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,2.1混凝土的物理力学性能,3. 复合应力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有等侧向压应力2时的圆柱体抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,2.1混凝土的物理力学性能,混凝土单轴受力时的应力-应变关系的重要性： 反映了混凝土受力全过程的重要力学特征, 是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据 是利用计算机进行非线性分析的基础。,试验方法：采用棱柱体试件，在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。 采用等应变速度加载，在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集